WO2011012502A1 - Heizmodul und verfahren zur herstellung des heizmoduls - Google Patents

Heizmodul und verfahren zur herstellung des heizmoduls Download PDF

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WO2011012502A1
WO2011012502A1 PCT/EP2010/060495 EP2010060495W WO2011012502A1 WO 2011012502 A1 WO2011012502 A1 WO 2011012502A1 EP 2010060495 W EP2010060495 W EP 2010060495W WO 2011012502 A1 WO2011012502 A1 WO 2011012502A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ring
base tube
heating module
ceramic
face
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/060495
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Ihle
Werner Kahr
Verena Fischer
Original Assignee
Epcos Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Epcos Ag filed Critical Epcos Ag
Publication of WO2011012502A1 publication Critical patent/WO2011012502A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/46—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor mounted on insulating base
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/02—Heaters using heating elements having a positive temperature coefficient

Definitions

  • Heating module and method for producing the heating module The invention relates to a heating module and to a method for producing the heating module.
  • PTC materials Temperature coefficients of electrical resistance (PTC materials) have to be heated. Such PTC materials can hitherto be formed as disks or rectangular elements. If the media is not in direct contact with the PTC material but is in a container or housing, there may be reduced contact areas between the PTC materials and the enclosures if the enclosures or containers have curved surfaces. A small
  • a problem to be solved is a heating module
  • a heating module according to claim 1. Further embodiments of the heating module and a method for producing this heating module are the subject of further claims. According to one embodiment, a heating module
  • the heating module comprises a first
  • a metal ring having a first and second end side disposed on the outer surface of the base tube with the first end face facing the projection, and a ceramic ring having a first and second end face, which is positively arranged on the outer surface of the base tube, wherein the first end face of the ceramic ring the second end face of the first metal ring contacted.
  • the ceramic ring contains a ceramic that has a positive temperature coefficient of electrical resistance.
  • the heating module also includes a second metal ring having first and second
  • End face which is arranged on the outer surface of the base tube, wherein the first end face of the second metal ring contacts the second end face of the ceramic ring. It is between the second metal ring and the outer surface of the
  • Base tube disposed an electrically insulating ring which is formed so as to at least partially cover the second end face of the second metal ring and the second
  • Formed projection can be formed flange.
  • the base tube elements such as For example, the first and second metal ring and the ceramic ring, a boundary wall over which these elements can not slip away.
  • the contact between the second end face of the first metal ring and the first end face of the ceramic ring may be over the entire area or only between partial areas of the
  • the second metal ring Due to the shape of the electrically insulating ring, the second metal ring is fixed on the electrically insulating ring, since slippage of the second metal ring is prevented by contacting its first end face with the ceramic ring and its second end face with the electrically insulating ring. At the same time the electric
  • the electrically insulating ring may include a material having a high temperature stability.
  • plastics may be selected which may continue to be filled with glass fibers.
  • plastics are polyphenylene sulfide (PPS) or polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • Heating system can be used provided that efficiently a medium, which is passed through the base tube, or a component which is arranged in the base tube, heated. By applying a voltage to the ceramic ring, this heats up due to its positive
  • Base tube arranged component indirectly through the
  • the ceramic ring is corrosively attacked by a medium to be heated or dissolved by the medium, and / or that the material of the ceramic ring to be heated medium or the component to be heated
  • the base tube may comprise a material comprising metals or metal alloys.
  • the base tube may have as material copper, aluminum or brass
  • the base tube may have a thermally highly conductive material.
  • the material of the base tube can continue to be electrically
  • the base tube may have a wall thickness selected from a range of 0.1 mm to 1 mm. The diameter of the
  • Base tube can be between 0.5 mm and 50 mm depending on the size of the component to be heated.
  • the base tube may have a length selected from a range of 5 mm to 200 mm. With a length of over 30 mm, several ceramic rings can be arranged one behind the other. If only one ceramic ring is used, it may have a length that is within the range of 5 mm to 30 mm
  • the base tube of the heating module can furthermore have an outer surface which comprises a curvature, at least in some areas. So it can be used cylindrical base tubes, base tubes with an oval average or other arbitrarily shaped base tubes, the symmetrical or may be formed asymmetrically and whose curvature may be interrupted by a kink.
  • the first and second end faces of the ceramic ring may be coated with an electrically conductive layer.
  • These electrically conductive layers can serve as electrodes. You can still use a metal, for example
  • Aluminum or comprise a layer sequence.
  • Examples of the materials of a layer sequence is chromium-nickel or chromium-nickel-silver.
  • the ceramic ring may have a length made from the
  • Range 2 mm to 20 mm is selected. Lengths greater than 20 mm are also feasible. Furthermore, the ceramic ring may have a wall thickness selected from the range 0.5 mm to 2.5 mm. The diameter of the
  • Ceramic ring is adapted to the diameter of the base tube and can be between 1 mm and 50 mm.
  • the second end face of the ceramic ring may have a recess, so that no contact between the outer surface of the base tube and the second end face of the ceramic ring is present.
  • an edge region of the electrically insulating ring may be present in the recess of the second end face of the ceramic ring. This is the edge area of the
  • a wave-shaped ring of the base tube which is formed resiliently.
  • the wave-shaped ring may, for example, be a wave spring washer.
  • the undulating ring may comprise a material made of
  • Metals or metal alloys is selected.
  • the material of the first and second metal rings may be selected from metals and metal alloys, for example brass.
  • At least one recess may be present in the base tube and the electrically insulating ring may have at least one attachment sunk into the recess of the base tube.
  • the recess in the base tube may be a hole or a recess in the outer surface.
  • Metal rings and the ceramic ring still increased, so that a good electrical contact is made possible without having to use other fasteners, such as an adhesive bond.
  • the base tube on its outer surface on the side facing away from the projection side of the electrically insulating ring bulges
  • the electrically insulating ring can be fixed on the base tube and thus the fixation and the KlemmKey ist of the first and second metal ring and the ceramic ring between the projection and the electrically insulating ring can be realized.
  • the ceramic ring and the base tube can be used in thermal
  • Base tube and the ceramic ring may be arranged a thermally conductive paste. In both cases there is good thermal contact between the base tube and the ceramic ring
  • Base tube and the ceramic ring is optimized.
  • Heat transfer is further improved by the adapted shape of the ceramic ring to the base tube, as a
  • the connection between the base tube and the ceramic ring can be positive and elastic.
  • the thermally conductive paste is arranged between the base tube and the ceramic ring.
  • a material comprising particles incorporated in polymers can be selected. The particles can be selected.
  • thermally conductive metal particles for example, thermally conductive metal particles
  • Graphite particles or alumina particles ensure good thermal conductivity of the paste arranged between the ceramic ring and the base tube.
  • An elastic connection between the ceramic ring and the base tube compensates for possible volume changes of the base tube and / or the ceramic ring, which during the
  • Ceramic ring and / or stress cracks of the base tube or the ceramic ring can be avoided.
  • the first and second metal ring may be electrical
  • a contact element in each case comprises a connection device attached to the first and second metal ring, for example a connection lug, which can be connected to an external electrical contact.
  • a voltage can be applied to the metal-coated end faces of the ceramic ring via the first and second metal ring and the respective connection devices of the first and second metal ring.
  • connection devices may be formed so that commercially available connectors, such as tabs or Crimpstecker can be connected.
  • the thickness and length of the ceramic ring can be selected depending on the applied voltage.
  • Ceramic ring can be adjusted. The resistance is still by the composition of the material of the ceramic ring determinable.
  • the heating module can have a plastic injection-molded housing which thermally insulates the heating module.
  • Base tube may have at its ends areas which are suitable for connection to a conduit system for a medium to be guided and heated.
  • the ceramic ring of the heating module may contain a ceramic material having the structure Ba] _- ⁇ -yM x DyTi] __ a _] 3 N a Mn] 3 ⁇ 3
  • the structure comprises a perovskite structure.
  • x comprises the range 0 to 0.5
  • y the range 0 to 0.01, a the range 0 to 0.01, b the range 0 to 0.01
  • M comprises a divalent cation
  • D a trivalent or tetravalent Donor
  • N a five- or six-valent cation.
  • M can be, for example, calcium, strontium or lead
  • D can be, for example, yttrium or lanthanum
  • examples of N are niobium or antimony.
  • the ceramic ring may include metallic contaminants present at a level of less than 10 ppm. The content of metallic
  • This material may have a Curie temperature ranging from -30 ° C to 340 ° C.
  • the material of the ceramic ring may further have a resistance at 25 ° C, which is in a range of 3 ⁇ cm to 30 ⁇ cm. It will continue a process for producing a
  • the method comprises the method steps A) providing a base tube having an outer surface
  • step B) of the ceramic ring taking into account the shrinkage of the ceramic ring to the
  • a ceramic ring is injection-molded or pressed, which prior to sintering has a shape that is too large for the base tube, to which the ceramic ring is adapted, and is adapted to the base tube after sintering.
  • a ceramic starting material is used for the production of the ceramic ring
  • a ceramic filler material of the structure Ba] __ x x _yM DyTi] __ _ a] 3 N a Mn] 3 ⁇ 3 and a matrix has.
  • Coating may for example consist of tungsten carbide. All surfaces of the tools with the ceramic
  • a ceramic filler which can be converted by sintering into a ceramic PTC material, mixed with a matrix and processed into granules.
  • This granules can for
  • the matrix in which the ceramic filler material is incorporated and which has a lower melting point than the ceramic material may have a proportion of less than 20% by mass compared to the ceramic material.
  • the matrix may comprise a material selected from a group including wax, resins, thermoplastics and
  • Antioxidants or plasticizers may also be present.
  • the method step B) can be the steps
  • a wave-shaped ring which is resiliently formed, can furthermore be arranged.
  • the electrically insulating ring is fixed on the base tube either by virtue of the fact that at least one recess is present in the base tube and the electrically insulating ring has at least one attachment which locks into the recess when inserting the electrically insulating ring, that after insertion of the electrically insulating ring, the base tube is provided from the inside with outwardly projecting bulges, which prevent slippage of the electrically insulating ring.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a
  • Figure 2b shows a schematic three-dimensional
  • FIG. 3 shows a schematic three-dimensional view
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a cross section of the heating module.
  • the heating module includes the
  • Base tube 10 one end face of which forms a projection 10a. Between the projection 10a and a first
  • Metal ring 20 is a wave-shaped ring 70 is arranged, which is resiliently formed.
  • the first metal ring 20 contacts with its first end face the wave-shaped ring 70 and with its second end face the first end face of the
  • Ceramic ring 40 which is arranged form-fitting manner on the outer surface of the base tube 10.
  • the second end face of the ceramic ring 40 contacts the first end face of a second metal ring 30.
  • Both the first metal ring 20 and the second metal ring 30 have contact elements 50 to which respective plugs can be connected (not shown here) and thus externally to the metal rings can be created.
  • the ceramic tube 40 has on both end faces electrically conductive coatings (not shown) which serve as electrodes.
  • Adjoining the second end face of the second metal ring 30 is the electrically insulating ring 60 which also extends between the second metal ring 30 and the outer surface of the base tube 10 and between the second end face of the ceramic ring 40 having a recess and the outer surface of the
  • Base tube 10 is present. This is an electrical
  • Ceramic ring 40 is fixed.
  • the electrically insulating ring 60 has at least one
  • Attachment 60a which is sunk into a recess, here shown as a hole, of the base tube 10.
  • a recess here shown as a hole
  • Base tube 10 also have a recess into which the
  • Attachment 60a is recessed so that it does not protrude into the interior of the base tube 10 (not shown here).
  • the ceramic ring 40 includes a ceramic with a positive temperature coefficient of electrical resistance and includes a material having the structure Ba] __ x _yM x D y Ti] __ _ a b N a Mn b O 3.
  • a medium may be passed which may be indirectly heated by the PTC effect of the ceramic ring 40 upon application of a voltage.
  • the heating module can also be used to enclose a component, for example a plug that is to be heated. The heating process starts as soon as the electric
  • the heating module can be a plastic enclosure
  • FIG. 1 Figure 2a and Figure 2b show the schematic
  • FIGS. 2a and 2b 3-dimensional front view ( Figure 2a) and the rear view ( Figure 2b) of the heating module, as shown in Figure 1.
  • the contact elements 50 are formed here as plug-in connections.
  • two attachments 60a are shown in FIGS. 2a and 2b which are countersunk into recesses of the base tube 10 and fix the electrically insulating ring 60 on the base tube 10.
  • FIG. 3 shows a variant of the heating module in FIG.

Landscapes

  • Resistance Heating (AREA)

Abstract

Es wird ein Heizmodul und ein Verfahren zur Herstellung eines Heizmoduls angegeben. Das Heizmodul umfasst ein Basisrohr mit einer Außenfläche, auf der ein erster Metallring, ein Keramikring und ein zweiter Metallring angeordnet sind. Der Keramikring weist ein Material mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands auf. Der zweite Metallring ist auf einem elektrisch isolierenden Ring angeordnet.

Description

Beschreibung
Heizmodul und Verfahren zur Herstellung des Heizmoduls Die Erfindung betrifft ein Heizmodul und ein Verfahren zur Herstellung des Heizmoduls.
Medien oder Bauteile können mittels eines thermischen
Kontakts mit Materialien, die einen positiven
Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands haben (PTC-Materialien) , beheizt werden. Solche PTC-Materialien können bisher als Scheiben oder Rechteckelemente ausgeformt werden. Steht das Medium nicht in direktem Kontakt zu dem PTC-Material, sondern befindet sich in einem Behälter oder Gehäuse, können reduzierte Kontaktflächen zwischen den PTC- Materialien und den Gehäusen vorhanden sein, wenn die Gehäuse oder Behälter gekrümmte Oberflächen haben. Eine kleine
Kontaktfläche zwischen dem PTC-Material und dem Gehäuse hat einen geringen Wirkungsgrad aufgrund des ungünstigen
Oberflächen-Volumenverhältnisses zur Folge. Bislang können beispielsweise runde Rohre, die von Fluiden durchströmt werden oder in denen Bauteile vorhanden sind, nur mit
geringem Wirkungsgrad mittels PTC-Materialien beheizt werden. Dies bewirkt längere Aufheizzeiten und höhere Heizleistungen.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Heizmodul
bereitzustellen, das einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Diese Aufgabe wird durch ein Heizmodul gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen des Heizmoduls und ein Verfahren zur Herstellung dieses Heizmoduls sind Gegenstand weiterer Patentansprüche. Gemäß einer Ausführungsform wird ein Heizmodul
bereitgestellt, das ein Basisrohr aufweisend eine Außenfläche und eine Stirnseite umfasst, wobei die Stirnseite auf der Außenfläche des Basisrohrs einen umlaufenden Vorsprung bildet. Weiterhin umfasst das Heizmodul einen ersten
Metallring mit einer ersten und zweiten Stirnseite, der auf der Außenfläche des Basisrohrs mit der ersten Stirnseite dem Vorsprung zugewandt angeordnet ist, und einen Keramikring mit einer ersten und zweiten Stirnseite, der formschlüssig auf der Außenfläche des Basisrohrs angeordnet ist, wobei die erste Stirnseite des Keramikrings die zweite Stirnseite des ersten Metallrings kontaktiert. Der Keramikring enthält eine Keramik, die einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands hat. Das Heizmodul umfasst außerdem einen zweiten Metallring mit einer ersten und zweiten
Stirnseite, der auf der Außenfläche des Basisrohrs angeordnet ist, wobei die erste Stirnseite des zweiten Metallrings die zweite Stirnseite des Keramikrings kontaktiert. Dabei ist zwischen dem zweiten Metallring und der Außenfläche des
Basisrohrs ein elektrisch isolierender Ring angeordnet, der so ausgeformt ist, dass er die zweite Stirnseite des zweiten Metallrings zumindest teilweise bedeckt und den zweiten
Metallring von dem Basisrohr vollständig isoliert. Mit dieser Anordnung wird eine stirnseitige Kontaktierung des Keramikrings ermöglicht unter gleichzeitiger Verhinderung eines Kurzschlusses aufgrund der Anordnung des elektrisch isolierenden Rings zwischen dem zweiten Metallring und der Außenfläche des Basisrohrs.
Die Stirnseite des Basisrohrs, die einen umlaufenden
Vorsprung bildet, kann flanschartig ausgebildet sein. Damit stellt sie für auf dem Basisrohr angeordnete Elemente, wie beispielsweise dem ersten und zweiten Metallring und dem Keramikring, einen Grenzwall dar, über den diese Elemente nicht hinwegrutschen können. Die Kontaktierung zwischen der zweiten Stirnseite des ersten Metallrings und der ersten Stirnseite des Keramikrings kann vollflächig sein oder nur zwischen Teilbereichen der
jeweiligen Stirnseiten vorhanden sein. Das Gleiche gilt für die Kontaktierung zwischen der zweiten Stirnseite des
Keramikrings und der ersten Stirnseite des zweiten
Metallrings .
Durch die Ausformung des elektrisch isolierenden Rings ist der zweite Metallring auf dem elektrisch isolierenden Ring fixiert, da ein Verrutschen des zweiten Metallrings durch die Kontaktierung seiner ersten Stirnseite mit dem Keramikring und seiner zweiten Stirnseite mit dem elektrisch isolierenden Ring verhindert wird. Gleichzeitig wird die elektrische
Isolation zwischen dem zweiten Metallring und dem Basisrohr realisiert.
Der elektrisch isolierende Ring kann ein Material aufweisen, das eine hohe Temperaturstabilität aufweist. Beispielsweise können Kunststoffe ausgewählt werden, die weiterhin mit Glasfasern gefüllt sein können. Beispiele für Kunststoffe sind Polyphenylensulfid (PPS) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) .
Damit wird ein Heizmodul, das beispielsweise als
Durchlauferhitzer oder als Verbindungselement in einem
Heizsystem verwendet werden kann, bereitgestellt, das effizient ein Medium, das durch das Basisrohr geleitet wird, oder ein Bauteil, das in dem Basisrohr angeordnet ist, erhitzt. Durch Anlegen einer Spannung an den Keramikring erwärmt sich dieser aufgrund seines positiven
Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands, und kann diese Wärme an das Basisrohr abgeben. Dabei weist der Keramikring ein selbstregulierendes Verhalten auf. Erreicht die Temperatur in dem Keramikring einen kritischen Wert, steigt auch der Widerstand in dem Keramikring, so dass weniger Strom durch den Keramikring fließt. Damit wird ein weiteres Aufheizen des Keramikrings verhindert, womit keine zusätzliche elektronische Regelung der Heizleistung
bereitgestellt werden muss. Mit diesem Heizmodul kann das durch das Basisrohr geleitete Medium oder ein in dem
Basisrohr angeordnetes Bauteil mittelbar durch den
Keramikring erhitzt werden.
Durch die Verwendung eines formschlüssig an die Außenfläche des Basisrohrs angeordneten Keramikrings wird es möglich, den Wirkungsgrad des Heizmoduls im Vergleich zu herkömmlichen Heizmodulen zu verbessern, da das Basisrohr unabhängig von der Form seiner Außenfläche großflächig mit dem Keramikring in thermischem Kontakt steht und somit ein günstiges
Oberflächen-Volumenverhältnis vorliegt .
Weiterhin besteht kein direkter Kontakt zwischen dem von dem Basisrohr geleiteten, zu beheizenden Medium oder dem in dem Basisrohr angeordnetem Bauteil und dem Keramikring. Damit kann vermieden werden, dass der Keramikring durch ein zu beheizendes Medium korrosiv angegriffen oder durch das Medium gelöst wird, und/oder dass das Material des Keramikrings das zu erhitzende Medium oder das zu erhitzende Bauteil
kontaminiert . Das Basisrohr kann ein Material aufweisen, das Metalle oder Metalllegierungen umfasst. Beispielsweise kann das Basisrohr als Material Kupfer, Aluminium oder Messing aufweisen
Weiterhin kann das Basisrohr ein thermisch gut leitfähiges Material aufweisen.
Das Material des Basisrohrs kann weiterhin elektrisch
isolierende Materialien umfassen, die wärmeleitfähig sind. Das können beispielsweise Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid sein. Somit wird ein elektrisch isolierendes Basisrohr, das kein elektrisches Potential aufweist, bereitgestellt. So können beispielsweise auch metallische Bauteile innerhalb des Basisrohrs beheizt werden. Die Größe des Basisrohrs und seines umlaufenden Vorsprungs kann je nach Anwendung ausgestaltet sein. Das Basisrohr kann eine Wanddicke aufweisen, die aus einem Bereich ausgewählt ist, der 0,1 mm bis 1 mm umfasst. Der Durchmesser des
Basisrohrs kann in Abhängigkeit der Größe des zu beheizenden Bauteils zwischen 0,5 mm und 50 mm betragen. Das Basisrohr kann eine Länge aufweisen, die aus einem Bereich ausgewählt ist, der 5 mm bis 200 mm umfasst. Bei einer Länge von über 30 mm können auch mehrere Keramikringe hintereinander angeordnet werden. Wird nur ein Keramikring verwendet, kann dieser eine Länge aufweisen, die aus dem Bereich 5 mm bis 30 mm
ausgewählt ist.
Das Basisrohr des Heizmoduls kann weiterhin eine Außenfläche aufweisen, die zumindest in Teilbereichen eine Krümmung umfasst. Es können also zylindrische Basisrohre eingesetzt werden, Basisrohre mit ovalem Durchschnitt oder weitere beliebig geformte Basisrohre, die symmetrisch oder unsymmetrisch ausgeformt sein können und deren Krümmung auch durch einen Knick unterbrochen sein kann.
Die erste und zweite Stirnseite des Keramikrings können mit einer elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet sein. Diese elektrisch leitfähigen Schichten können als Elektroden dienen. Sie können weiterhin ein Metall, beispielsweise
Aluminium, aufweisen oder eine Schichtenfolge umfassen.
Beispiele für die Materialien einer Schichtenfolge ist Chrom- Nickel oder Chrom-Nickel-Silber.
Der Keramikring kann eine Länge aufweisen, die aus dem
Bereich 2 mm bis 20 mm ausgewählt ist. Längen, die größer als 20 mm sind, sind ebenso realisierbar. Weiterhin kann der Keramikring eine Wanddicke aufweisen, die aus dem Bereich 0,5 mm bis 2,5 mm ausgewählt ist. Der Durchmesser des
Keramikrings ist an den Durchmesser des Basisrohrs angepasst und kann zwischen 1 mm und 50 mm betragen. Die zweite Stirnseite des Keramikrings kann eine Aussparung aufweisen, so dass kein Kontakt zwischen der Außenfläche des Basisrohrs und der zweiten Stirnseite des Keramikrings vorhanden ist. In der Aussparung der zweiten Stirnseite des Keramikrings kann ein Randbereich des elektrisch isolierenden Rings vorhanden sein. Damit ist der Randbereich des
elektrisch isolierenden Rings zwischen der zweiten Stirnseite des Keramikrings und der Außenfläche des Basisrohrs vorhanden und eine elektrische Isolierung der mit elektrisch
leitfähigen Schicht beschichteten zweiten Stirnseite des Keramikrings und der Außenfläche des Basisrohrs realisiert.
Weiterhin kann zwischen dem Vorsprung des Basisrohrs und der ersten Stirnseite des ersten Metallrings auf der Außenfläche des Basisrohrs ein wellenförmiger Ring angeordnet sein, der federnd ausgeformt ist. Bei dem wellenförmigen Ring kann es sich beispielsweise um eine Wellfederscheibe handeln. Der wellenförmige Ring kann ein Material umfassen, das aus
Metallen oder Metalllegierungen ausgewählt ist.
Das Material des ersten und zweiten Metallrings kann aus Metallen und Metalllegierungen, beispielsweise Messing, ausgewählt sein.
Weiterhin kann in dem Basisrohr zumindest eine Aussparung vorhanden sein und der elektrisch isolierende Ring zumindest einen Vorsatz aufweisen, der in die Aussparung des Basisrohrs versenkt ist. Bei der Aussparung in dem Basisrohr kann es sich um ein Loch oder um eine Vertiefung in der Außenfläche handeln. Damit kann der Vorsatz des elektrisch isolierenden Rings entweder durch das Basisrohr hindurchragen oder in die Wand des Basisrohrs hineinragen. Durch den in der Aussparung versenkten Vorsatz des elektrisch isolierenden Rings wird die Anordnung des ersten und zweiten Metallrings und des
Keramikrings zwischen dem Vorsprung des Basisrohrs und dem elektrisch isolierenden Rings fixiert und der Keramikring gegen den ersten und den zweiten Metallring gepresst. Durch die Anordnung des wellenförmigen Rings zwischen dem Vorsprung und dem ersten Metallring wird der Druck zwischen den
Metallringen und dem Keramikring noch erhöht, so dass ein guter elektrischer Kontakt ermöglicht wird, ohne weitere Verbindungselemente, wie beispielsweise eine Klebverbindung einsetzen zu müssen.
Es wird also eine dauerhafte Klemmkontaktierung
bereitgestellt, durch die mechanische Schädigungen durch unterschiedliche Wärmedehnungen der Materialien vermieden werden .
In einer weiteren Ausführungsform kann das Basisrohr auf seiner Außenfläche auf der von dem Vorsprung abgewandten Seite des elektrisch isolierenden Rings Ausbuchtungen
aufweisen. Damit kann der elektrisch isolierende Ring auf dem Basisrohr fixiert werden und somit die Fixierung und die Klemmkontaktierung des ersten und zweiten Metallrings und des Keramikrings zwischen dem Vorsprung und dem elektrisch isolierenden Rings realisiert werden.
Der Keramikring und das Basisrohr können in thermischem
Kontakt miteinander stehen. Weiterhin kann zwischen dem
Basisrohr und dem Keramikring eine thermisch leitfähige Paste angeordnet sein. In beiden Fällen ist ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Basisrohr und dem Keramikring
gewährleistet, so dass der Wärmeübergang zwischen dem
Basisrohr und dem Keramikring optimiert wird. Der
Wärmeübergang wird weiterhin durch die angepasste Form des Keramikrings an das Basisrohr verbessert, da ein
großflächiger thermischer Kontakt zwischen dem Keramikring und dem Basisrohr vorhanden ist. Die Verbindung zwischen dem Basisrohr und dem Keramikring kann formschlüssig und elastisch sein. Um eine elastische Verbindung zwischen Basisrohr und Keramikring zu erhalten, wird die thermisch leitfähige Paste zwischen dem Basisrohr und dem Keramikring angeordnet. Für die thermisch leitfähige Paste kann ein Material gewählt werden, das in Polymere eingelagerte Partikel umfasst. Die Partikel können
beispielsweise thermisch leitfähige Metallpartikel,
Graphitpartikel oder Aluminiumoxidpartikel umfassen. Diese Partikel sorgen für eine gute Wärmeleitfähigkeit der zwischen dem Keramikring und dem Basisrohr angeordneten Paste.
Eine elastische Verbindung zwischen dem Keramikring und dem Basisrohr gleicht mögliche Volumenänderungen des Basisrohrs und/oder des Keramikrings aus, die während der
Temperaturveränderung bei dem Heizvorgang auftreten können, so dass mechanische Spannungen zwischen Basisrohr und
Keramikring und/oder Spannungsrisse des Basisrohrs oder des Keramikrings vermieden werden.
Der erste und zweite Metallring kann elektrische
Kontaktelemente zur Erzeugung eines Stromflusses aufweisen. Ein Kontaktelement umfasst dabei jeweils eine an dem ersten und zweiten Metallring angebrachte Anschlussvorrichtung, beispielsweise eine Anschlussfahne, die an einen externen elektrischen Kontakt angeschlossen werden kann. Damit kann an die mit Metall beschichteten Stirnseiten des Keramikrings über den ersten und zweiten Metallring und die jeweiligen Anschlussvorrichtungen des ersten und zweiten Metallrings eine Spannung angelegt werden.
Die Anschlussvorrichtungen können so ausgeformt sein, dass handelsübliche Stecker, wie beispielsweise Flachstecker oder Crimpstecker angeschlossen werden können.
Die Dicke und Länge des Keramikrings kann in Abhängigkeit der angelegten Spannung ausgewählt werden. Somit kann in
Abhängigkeit Ausmaße des Keramikrings und damit in
Abhängigkeit des Abstands der elektrisch leitfähigen
Beschichtungen an den Stirnseiten des Keramikrings, die die Elektroden darstellen, der ohmsche Widerstand in dem
Keramikring eingestellt werden. Der Widerstand ist weiterhin durch die die Zusammensetzung des Materials des Keramikrings bestimmbar .
Weiterhin kann das Heizmodul ein Kunststoffspritzgehäuse aufweisen, das das Heizmodul thermisch isoliert. Das
Basisrohr kann an seinen Enden Bereiche aufweisen, die zum Anschluss an ein Leitungssystem für ein zu leitendes und zu beheizendes Medium geeignet sind. Der Keramikring des Heizmoduls kann ein keramisches Material enthalten, das die Struktur Ba]_-χ-yMxDyTi]__a_]3NaMn]3θ3
aufweist. Die Struktur umfasst eine Perowskit-Struktur . Dabei umfasst x den Bereich 0 bis 0,5, y den Bereich 0 bis 0,01, a den Bereich 0 bis 0,01, b den Bereich 0 bis 0,01, M umfasst ein zweiwertiges Kation, D einen drei- oder vierwertigen Donor und N ein fünf- oder sechswertiges Kation. M kann beispielsweise Calcium, Strontium oder Blei sein, D kann beispielsweise Yttrium oder Lanthan sein, Beispiele für N sind Niob oder Antimon. Der Keramikring kann metallische Verunreinigungen umfassen, die mit einem Gehalt von weniger als 10 ppm vorhanden sind. Der Gehalt an metallischen
Verunreinigungen ist so gering, dass die PTC-Eigenschaften des Keramikrings nicht beeinflusst werden. Dieses Material kann eine Curietemperatur aufweisen, die einen Bereich von -30° C bis 340° C umfasst. Das Material des Keramikrings kann weiterhin einen Widerstand bei 25° C aufweisen, der in einem Bereich von 3 Ωcm bis 30 Ωcm liegt. Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines
Heizmoduls mit den oben genannten Eigenschaften
bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte A) Bereitstellen eines Basisrohrs mit einer Außenfläche,
B) Spritzgiessen oder Pressen eines Keramikrings, der eine Form aufweist, die an die Außenfläche des Basisrohrs
angepasst ist,
C) Sintern des Keramikrings,
D) Anordnen eines ersten Metallrings, des Keramikrings und eines zweiten Metallrings auf der Außenfläche des Basisrohrs, und
E) Einfügen und Fixieren eines elektrisch isolierenden Rings zwischen der Außenfläche des Basisrohrs und dem zweiten
Metallring .
Dabei wird im Verfahrensschritt B) der Keramikring unter Berücksichtigung der Schwindung des Keramikrings an die
Außenfläche des Rohrs angepasst. Je nach Zusammensetzung des Materials für den Keramikring kann während des Sinterns im Verfahrensschritt C) eine Schwindung des Volumens des
Keramikrings auftreten. Somit wird im Verfahrensschritt B) ein Keramikring spritzgegossen oder gepresst, der vor dem Sintern eine Form aufweist, die für das Basisrohr, an das der Keramikring angepasst wird, zu groß ist und nach dem Sintern an das Basisrohr angepasst ist.
Damit ist eine große thermische Kontaktfläche zwischen
Basisrohr und Keramikring gewährleistet.
Weiterhin wird im Verfahrensschritt B) für die Herstellung des Keramikrings ein keramisches Ausgangsmaterial
bereitgestellt, das ein keramisches Füllmaterial der Struktur Ba]__x_yMxDyTi]__a_]3NaMn]3θ3 und eine Matrix aufweist.
Um das keramische Ausgangsmaterial mit weniger als 10 ppm metallischen Verunreinigungen herzustellen, kann es mit Werkzeugen hergestellt werden, die eine harte Beschichtung aufweisen, um einen Abrieb zu vermeiden. Eine harte
Beschichtung kann beispielsweise aus Wolframcarbid bestehen. Alle Oberflächen der Werkzeuge, die mit dem keramischen
Material in Berührung kommen, können mit der harten
Beschichtung beschichtet sein.
Auf diese Weise kann ein keramisches Füllmaterial, das durch Sintern in ein keramisches PTC-Material überführt werden kann, mit einer Matrix vermischt und zu einem Granulat verarbeitet werden. Dieses Granulat kann zur
Weiterverarbeitung zu dem Keramikring spritzgegossen werden.
Die Matrix, in die das keramische Füllmaterial eingelagert ist und die einen geringeren Schmelzpunkt aufweist, als das keramische Material, kann dabei einen Anteil von weniger als 20 Massen% gegenüber dem keramischen Material aufweisen. Die Matrix kann ein Material umfassen, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Wachs, Harze, Thermoplaste und
wasserlösliche Polymere umfasst. Weitere Zusätze, wie
Antioxidantien oder Weichmacher können ebenfalls vorhanden sein .
Der Verfahrensschritt B) kann die Schritte
Bl) Bereitstellen des keramischen Ausgangsmaterials,
B2) Spritzgiessen oder Pressen des Ausgangsmaterials in eine
Form, und
B3) Entfernen der Matrix
aufweisen .
Während des Sinterns im Verfahrensschritt C) wird das
keramische Ausgangsmaterial in das Material des Keramikrings, das einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands aufweist, überführt.
Im Verfahrensschritt D) kann weiterhin zwischen dem Anordnen des ersten Metallrings und dem Anordnen des Keramikrings ein wellenförmiger Ring, der federnd ausgeformt ist, angeordnet werden .
In dem Verfahrensschritt E) wird der elektrisch isolierende Ring auf dem Basisrohr entweder dadurch fixiert, dass in dem Basisrohr zumindest eine Aussparung vorhanden ist und der elektrisch isolierende Ring zumindest einen Vorsatz aufweist, der beim Einfügen des elektrisch isolierenden Rings in die Aussparung einrastet oder dadurch, dass nach dem Einfügen des elektrisch isolierenden Rings das Basisrohr von innen mit nach außen stehenden Ausbuchtungen versehen wird, die ein Verrutschen des elektrisch isolierenden Rings verhindern.
Anhand der Figuren und Ausführungsbeispiele sollen die beschriebenen Gegenstände noch näher erläutert werden:
Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines
Querschnitts des Heizmoduls, Figur 2a zeigt eine schematische dreidimensionale
Vorderansicht einer Ausführungsform des Heizmoduls,
Figur 2b zeigt eine schematische dreidimensionale
Rückansicht einer Ausführungsform des Heizmoduls,
Figur 3 zeigt eine schematische dreidimensionale
Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform des Heizmoduls, Die Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Querschnitts des Heizmoduls. Das Heizmodul umfasst das
Basisrohr 10, dessen eine Stirnseite einen Vorsprung 10a bildet. Zwischen dem Vorsprung 10a und einem ersten
Metallring 20 ist ein wellenförmiger Ring 70 angeordnet, der federnd ausgeformt ist. Der erste Metallring 20 kontaktiert mit seiner ersten Stirnseite den wellenförmigen Ring 70 und mit seiner zweiten Stirnseite die erste Stirnseite des
Keramikrings 40, der formschlüssig auf der Außenfläche des Basisrohrs 10 angeordnet ist. Die zweite Stirnseite des Keramikrings 40 kontaktiert die erste Stirnseite eines zweiten Metallrings 30. Sowohl der erste Metallring 20 als auch der zweite Metallring 30 weisen Kontaktelemente 50 auf, an die jeweils Stecker angeschlossen werden können (hier nicht gezeigt) und somit extern an die Metallringe Spannung angelegt werden kann.
Das Keramikrohr 40 hat auf beiden Stirnseiten elektrisch leitfähige Beschichtungen (nicht gezeigt) , die als Elektroden dienen .
An die zweite Stirnseite des zweiten Metallrings 30 grenzt der elektrisch isolierende Ring 60, der auch zwischen dem zweiten Metallring 30 und der Außenfläche des Basisrohrs 10 sowie zwischen der zweiten Stirnseite des Keramikrings 40, die eine Aussparung aufweist, und der Außenfläche des
Basisrohrs 10 vorhanden ist. Damit ist eine elektrische
Isolation des zweiten Metallrings 30 und der zweiten
Stirnseite des Keramikrings 40 gegenüber dem Basisrohr 10 gewährleistet. Gleichzeitig bedeckt der elektrisch
isolierende Ring 60 die zweite Stirnseite des zweiten Metallrings 30, so dass der zweite Metallring 30 an dem
Keramikring 40 fixiert ist.
Der elektrisch isolierende Ring 60 hat zumindest einen
Vorsatz 60a, der in eine Aussparung, hier als Loch gezeigt, des Basisrohrs 10 versenkt ist. Alternativ könnte das
Basisrohr 10 auch eine Vertiefung aufweisen, in die der
Vorsatz 60a versenkt ist, so dass er nicht in das Innere des Basisrohrs 10 ragt (hier nicht gezeigt) .
Der Keramikring 40 umfasst eine Keramik mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands und enthält ein Material mit der Struktur Ba]__x_yMxDyTi]__a_ bNaMnbO3.
Innerhalb des Basisrohrs 10 kann ein Medium geleitet werden, das mittelbar durch den PTC-Effekt des Keramikrings 40 bei Anlegen einer Spannung erhitzt werden kann. Das Heizmodul kann auch dafür verwendet werden, ein Bauteil zu umschließen, beispielsweise einen Stecker, das beheizt werden soll. Der Heizvorgang beginnt, sobald durch die elektrische
Kontaktierung über die Kontaktelemente 50 und den ersten 20 und zweiten Metallring 30 ein Stromfluss in dem Keramikring 40 erzeugt wird.
Weiterhin kann das Heizmodul eine Kunststoffumhüllung
aufweisen, die das Heizmodul thermisch isoliert (hier nicht gezeigt) . Durch die federnde Ausformung des wellenförmigen Rings 70 und die Fixierung des elektrisch isolierenden Rings 60 an dem Basisrohr 10 wird der Keramikring 40 zwischen den ersten und zweiten Metallring 20, 30 gepresst, so dass ein guter elektrischer Kontakt gewährleistet ist. Dadurch, dass diese Klemmkontaktierung keinerlei Klebverbindungen benötigt, können eventuelle Ausdehnungen der verschiedenen Materialien ausgeglichen werden, ohne dass mechanische Spannungen in dem Heizmodul auftreten.
Figur 2a und Figur 2b zeigen die schematische
dreidimensionale Vorderansicht (Figur 2a) und die Rückansicht (Figur 2b) des Heizmoduls, wie es in Figur 1 dargestellt ist. Die Kontaktelemente 50 sind hier als Steckverbindungen ausgeformt. Beispielhaft sind in den Figuren 2a und 2b jeweils zwei Vorsätze 60a gezeigt, die in Aussparungen des Basisrohrs 10 versenkt sind, und den elektrisch isolierenden Ring 60 auf dem Basisrohr 10 fixieren.
Figur 3 zeigt eine Variante des Heizmoduls in
dreidimensionaler schematischer Ansicht. Hier sind die
Kontaktelemente 50 als Crimp-Anschlüsse ausgeformt. Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen können
beliebig variiert werden. Es ist weiterhin zu
berücksichtigen, dass sich die Erfindung nicht auf die
Beispiele beschränkt, sondern weitere hier nicht aufgeführte Ausgestaltungen zulässt.
Bezugszeichenliste
10 Basisrohr
10a Vorsprung
20 erster Metallring
30 zweiter Metallring
40 Keramikring
50 Kontaktelement
60 elektrisch isolierender Ring 60a Vorsatz
70 wellenförmiger Ring

Claims

Patentansprüche
1. Heizmodul, umfassend
- ein Basisrohr (10) aufweisend eine Außenfläche und eine Stirnseite, wobei die Stirnseite auf der Außenfläche des
Basisrohrs (10) einen umlaufenden Vorsprung (10a) bildet,
- einen ersten Metallring (20) mit einer ersten und zweiten Stirnseite, der auf der Außenfläche des
Basisrohrs (10) mit der ersten Stirnseite dem Vorsprung (10a) zugewandt angeordnet ist,
- einen Keramikring (40) mit einer ersten und zweiten Stirnseite, der formschlüssig auf der Außenfläche des Basisrohrs (10) angeordnet ist, wobei die erste
Stirnseite des Keramikrings (40) die zweite Stirnseite des ersten Metallrings (20) kontaktiert, und der eine Keramik enthält, die einen positiven
Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands hat,
- einen zweiten Metallring (30) mit einer ersten und zweiten Stirnseite, der auf der Außenfläche des
Basisrohrs (10) angeordnet ist, wobei die erste
Stirnseite des zweiten Metallrings (30) die zweite
Stirnseite des Keramikrings (40) kontaktiert,
wobei zwischen dem zweiten Metallring (30) und der
Außenfläche des Basisrohrs (10) ein elektrisch
isolierender Ring (60) angeordnet ist, der so ausgeformt ist, dass er die zweite Stirnseite des zweiten
Metallrings (30) zumindest teilweise bedeckt und den zweiten Metallring (30) von dem Basisrohr (10)
vollständig isoliert.
2. Heizmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
erste und zweite Stirnseite des Keramikrings (40) mit einer elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet sind.
3. Heizmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
zweite Stirnseite des Keramikrings (40) eine Aussparung aufweist, und ein Randbereich des elektrisch isolierenden Rings (60) zwischen der zweiten Stirnseite des Keramikrings (40) und der Außenfläche des Basisrohrs (10) vorhanden ist.
4. Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Vorsprung (10a) und der ersten Stirnseite des ersten Metallrings (20) auf der Außenfläche des
Basisrohrs (10) ein wellenförmiger Ring (70) angeordnet ist, der federnd ausgeformt ist.
5. Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Basisrohr (10) zumindest eine Aussparung vorhanden ist, und der elektrisch isolierende Ring (60) zumindest einen Vorsatz (60a) aufweist, der in die Aussparung des Basisrohrs (10) versenkt ist.
6. Heizmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das
Basisrohr (10) auf seiner Außenfläche auf der von dem Vorsprung (10a) abgewandten Seite des elektrisch
isolierenden Rings (60) Ausbuchtungen aufweist.
7. Heizmodul nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der erste Metallring (20), der Keramikring (40) und der zweite Metallring (30) zwischen dem elektrisch
isolierenden Ring (60) und dem Vorsprung (10a) des
Basisrohrs (10) fixiert sind.
8. Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basisrohr (10) ein thermisch gut leitfähiges Material aufweist.
9. Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basisrohr (10) und der Keramikring (40) in
thermischem Kontakt miteinander stehen.
10. Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Basisrohr (10) und dem Keramikring (40) eine thermisch leitfähige Paste angeordnet ist.
11. Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite Metallring (20, 30) elektrische Kontaktelemente (50) zur Erzeugung eines Stromflusses aufweisen .
12. Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Keramikring (40) ein keramisches Material enthält, das die Struktur Bai-x-yMxDyTii-a-bNaMnbθ3 aufweist, wobei x = 0 bis 0,5, y = 0 bis 0,01, a = 0 bis 0,01, b = 0 bis 0,01, M ein zweiwertiges Kation umfasst, D einen drei- oder vierwertigen Donor umfasst und N ein fünf- oder sechswertiges Kation umfasst.
13. Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Keramikring (40) eine Curie-Temperatur aufweist, die einen Bereich von -300C bis 3400C umfasst.
14. Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Keramikring (40) einen Widerstand bei 25°C aufweist, der in einem Bereich von 3 Ωcm bis 30000 Ωcm liegt.
15. Verfahren zur Herstellung eines Heizmoduls nach einem der
Ansprüche 1 bis 14 mit den Verfahrensschritten
A) Bereitstellen eines Basisrohrs (10) mit einer
Außenfläche,
B) Spritzgiessen oder Pressen eines Keramikrings (40), der eine Form aufweist, die an die Außenfläche des
Basisrohrs (10) angepasst ist,
C) Sintern des Keramikrings (40),
D) Anordnen eines ersten Metallrings (20), des
Keramikrings (40) und eines zweiten Metallrings (30) auf der Außenfläche des Basisrohrs (10), und
E) Einfügen und Fixieren eines elektrisch isolierenden Rings (60) zwischen der Außenfläche des Basisrohrs (10) und dem zweiten Metallring (30).
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